逆反射的實現,是一種人工新技術的實現過程,因此,如何測試和科學準確地定義這種技術的實現效果,對交通安全技術應用,具備非常重要的意義。本節主要介紹我國有關逆反射測試的技術基礎。 規范逆反射術語定義,是認識和發展逆反射技術的前提條件,也是逆反射測試的基礎工作。逆反射概念及其相關術語定義,在我國交通行業標準JT/T 688-2007《逆反射術語》中有詳細描述。主要術語定義如下:
1逆反射:反射光從接近入射光的反方向返回的一種反射。當入射光方向在較大范圍內變化時,仍能保持這種性質。現實中可通過兩種結構方式實現該種反射:玻璃珠結構和棱鏡結構。
2逆反射材料:具備逆反射特性的材料統稱,在暴露的表面或接近表面有一層薄的、連續的微小逆反射元素的反射層。例如反光膜、反光片、道路交通標線等。
3逆反射體:具有逆反射性能的一種反光面或器件。具備逆反射特性的物體統稱,在學術研究中使用較多。
4逆反射體軸:從逆反射體中心發出的一條特定的射線。逆反射體軸通常選擇照明方向的中心線。當逆反射體為軸對稱時,逆反射體軸通常與逆反射體的對稱軸一致。對于路面標線,逆反射體軸垂直于路面。
5基準軸:從逆反射體中心發出,垂直于逆反射體軸的一條射線。基準軸與逆反射體中心、逆反射體軸給出逆反射體的位置。
6照明軸:從逆反射體中心發出的通過光源的射線。
7觀測軸:從逆反射體中心通過觀測點的射線。
8第一軸:通過逆反射體中心且垂直于觀測半平面的軸。
9第二軸:該軸通過逆反射體中心,在照明軸和觀測軸平面內,垂直于逆反射體軸。
10入射角β:照明軸和逆反射體軸之間的夾角。入射角通常不大于90o,但考慮完整性將其規定為0o≤β≤180o。在角度計系統中β被分解為β1和β2兩個分量。國內外道路交通安全測試技術相關標準中,入射角一般取4o、5o、10o、15o、20o、30、40o。
11入射角分量β1:照明軸與包含逆反射體軸和第一軸的平面之間的夾角。-180o<β1≤180o。
12入射角分量β2:觀測半平面與逆反射體軸之間的夾角。-90o≤β2≤90o。對于一些測試,擴展到-180o<β2≤180o,此時-90o<β1≤90o。
13觀測角α:照明軸與觀測軸之間的夾角。觀測角不為負值,一般小于10o,通常小于2o。全部范圍定義為0o≤α<180o。國內外道路交通安全測試技術相關標準中,觀測角一般取0.1o、0.2o、0.33o、0.5o、1o。
14旋轉角ε:從逆反射體軸上的觀察點逆時針測量,在垂直于逆反射體軸的平面上,從觀測半平面到基準軸的夾角。-180o<ε≤180o。入射角和視角小于90o時定義是適當的。更多情況下,旋轉角是從逆反射體軸的觀察點逆時針測量,第二軸到基準軸的相反部分。
15視角ν:逆反射體軸和觀測軸之間的夾角。角度計系統中cosν=cos(β1-α)cosβ2。當視角接近90o時,對于路面標線,一般情況下使用視角的余角即余視角a。
16方位角ωs:位于垂直于逆反射體軸的平面內,從光源觀察點逆時針測量,從入射半平面到基準軸之間的夾角。ωs值在-180o與180o之間。試樣圍繞逆反射體軸轉動時,當光源和接收器在空間相對固定,方位角(ωs)和旋轉角(ε)的變化是相等的。
17道路標線方位角b:從逆反射體軸的觀察點順時針測量,入射半平面與從逆反射體軸發出包含觀測軸的半平面之間的夾角。b 值在-180o與180o之間。
18道路標線方位角補角d:從逆反射體軸的觀察點順時針測量,垂直于逆反射體軸的平面上基準軸與從逆反體軸發出包含觀測軸的半平面之間的夾角。d 值在-180o與180o之間。
19顯示角γ:從光源觀察點逆時針測量,從入射半平面到觀測半平面的二面角。γ值在-180o與180o之間。
20 rho角ρ :從光源觀察點逆時針測量,觀測半平面與從照明軸發出包含基準軸的半平面之間的二面角。 在規范逆反射術語定義的基礎上研究逆反射測試技術,對逆反射性能進行定量分析和質量監控,是逆反射技術的重要內容之一。逆反射測試系統主要包括如下內容:
系統綜述
描述光源、接收器和樣品之間的幾何關系時,角度的組合非常重要。在任何系統中,通過四個角度中的任何一個都可以計算得出其它角度。逆反射描述主要有下面四個系統:
1. {α、β1、β2、ε} CIE角度計系統
2. {α、β、γ、ωs} 固有系統
3. {α、β、ε、ωs} 應用系統
4. {a、b、e、d} 道路標線系統
其中α、β、ε、ωs、γ之間的關系見圖10。
前三個系統是球形的,樣品中的任何地方都可以被照明和接收。第四個系統是半球形的。
第一個系統通常用于特殊的實驗室測試;第二系統和第三個系統通常用于對大多數逆反射體性能的研究;第四個系統通常用于對逆反射體入射角余角性能的研究。
CIE角度計系統
CIE角度計系統是基于逆反射體的角度測量方法,相對容易建立,而且容易使實驗室間達成一致,因而被ASTM標準所推薦。
圖11中標明了CIE角度計系統的{α、β1、β2、ε}。這四個CIE角度在逆反射測量儀中隨三維變化而被精確測量。第一軸垂直于包含觀測軸和照明軸的平面。第二軸垂直于逆反射體軸,位于包含觀測軸和照明軸的平面內。所有軸、角度和方向都為正值。
樣品角度計的三維運動使角度β1、β2和ε發生變化,角度的大小根據樣品的測試要求而設置,如圖12所示。樣品必須是固定的,逆反射體軸垂直于樣品表面。
無下標的入射角β容易引起歧義,在有些地方被認為是±β1,有些地方則被認為是±β2,造成不同國家實驗室目前存在兩種不同的幾何測試方法:“水平測試法”和“垂直測試法”。圖13表示的是基于“水平測試法”和“垂直測試法”的共平面幾何測試方法。這兩種不同的測試方法對于玻璃珠型逆反射體的測試結果影響較小,對棱鏡型逆反射體的測試則存在嚴重影響。所以建議在逆反射描述中,β1和β2都必須指定,即使其中一個是零也應予以明確。圖中說明了入射半平面和觀測半平面在同一平面內的測試情況,入射角β和觀測角 都為正值。該圖沒有顯示轉動角ε。注2:在該圖中β是正值,用終止于逆反射體軸的單向箭號表示,相當于CIE系統中:β=β1,β2=0。
固有系統
固有系統{α、β、γ、ωs }可由設定了α和γ的兩軸觀測者角度計和設置了β和ωs的兩軸樣品角度計的逆反射測量儀來表示。逆反射體測量儀可以使用一個常用的設定角度α的一軸觀測者角度計,也可以使用一個設定角度β、γ和ωs的結構合理的三軸樣品角度計。固有系統的角度{α、β、γ、ωs }包含在圖14中。
棱鏡型逆反射體的表示方法完全依賴該系統的四個角,玻璃珠型的逆反射體則依賴于角α、β和γ。逆反射體軸是樣品角度計平面的法線,角ωs和γ是正值,接收器的轉動軌跡圍繞著照明軸,轉動角用γ表示,為了避免冗余,β的移動在方向上是受限制的。注2:固有系統與CIE(角度計)系統有關,其中的入射角β和顯示角γ,幾何上等同于一對入射角分量β1和β2。
應用系統
應用系統{α、β、ε、ωs }(圖2-15)從觀測幾何條件(α、ε)中分離出了照明幾何條件(β、ωs)。轉動角ε和ωs都是根據樣品基準軸來定義的。圖16包含了應用系統中的角度{α、β、ε、ωs }。
該系統在研究各種道路應用中遇到的幾何問題時是很有用的。棱鏡型逆反射體的性能很明顯依賴于該系統的這四個角度。
沒有一個簡單的角度計可以表示這個角度系統。為了使這一系統得到應用,需要將角度轉換到一個更好的計算機化的逆反射測量系統中。角ωs和ε位于垂直于逆反射體軸的平面內,用正值表示。注2:在這一系統中,當對對稱轉動的逆反射體進行測量時,需要對角ε和ωs同時進行定義,因為這些逆反射體的逆反射性能主要體現在不同的ωs—ε值上。注3:相似系統{α、β、ρ、ωs }對研究光通量和衍射上是很有用的。
道路標線系統
道路標線系統{a、b、e、d}(圖16)特指接近于平面的道路標線。該系統通常使用RM中的{a、e}兩個角度來限制。道路標線通常是在b=180,d=0的情況下測量的,嚴格地說,這四個角度都要求進行指定,特別是對于非對稱轉動的道路標線系統。(注:該RM系統和歐洲道路照明系統(RL)是一致的,只是用不同的角度符號來表示和定義。{a、b、e、d}是RM中的定義,{α、β、ε、δ}則是RL中的定義。RL中的角度ε在RL中被定義為90-γ。)角d和角b用正值表示,一般情況下d=0o,同時b=180o,并且a>e。在測試中,接收器位于光源的上方。